扫描电化学显微镜

摘要： 能源和环境问题成为制约未来可持续发展的关键问题之一,因此,针对不同电催化反应设计电催化剂变得越来越重要.电催化剂因其能量效率高、制备简单和易操作等优点,而应用于可再生能源的相关反应(如水分解和人工光合作用)中.明确不同反应电催化剂的设计原理,深入理解其在相关反应中的催化机理,可进一步优化催化剂性能.本文综述了扫描电化学显微镜(SECM)应用于电催化反应的历程、关键方法以及一些代表性的工作,阐明了电催化剂的工作机理以推进电催化剂的设计.本文还介绍了为提高SECM的空间分辨率而尝试的纳米尺寸电极方面的新进展,分享了纳米电极在以前研究无法涉及的单一催化实体方面的应用.

摘要： 目的探究钢铁热浸镀锌的镀层/钢基体界面的微区电化学特性及腐蚀行为。方法采用扫描电化学显微镜(SECM)分析技术,研究镀层/钢基体界面在0.1 mol/L NaCl溶液腐蚀过程中微区电流的演变过程,结合扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、3D显微镜以及X射线衍射技术(XRD)等分析腐蚀产物的物相组成与分布规律。结果在腐蚀过程中,镀锌钢的腐蚀产物主要分布在热浸镀锌层界面处靠近钢基体的一侧,在镀锌层表面的分布较少,腐蚀产物主要由Zn_(5)(OH)_(8)Cl_(2)、Zn_(5)(OH)_(6)(CO_(3))_(2)与ZnO等物相组成。在腐蚀开始阶段,钢基体区域的SECM还原电流(I=1.2)大于镀锌层(I=1.1)。随着腐蚀时间的延长,镀层/钢基体界面处的SECM还原电流整体降低,同时在界面靠近钢基体一侧存在电流凹陷区(I=1.0),表明腐蚀产物主要沉积在此处,并对镀层的腐蚀起到保护作用。此外,在腐蚀过程中氧气的消耗主要发生在钢基体区域,随着腐蚀时间的增加,镀层和钢基体表面的溶解氧含量都逐渐降低。结论在浸泡腐蚀过程中,镀锌层作为阳极,溶解生成Zn^(2+),并向钢基体区域扩散,同时钢基体表面消耗氧气,还原形成OH–向镀锌层区域扩散。Zn^(2+)与OH^(–)以及溶液中其他离子结合,生成腐蚀产物,在靠近镀层/钢基体界面处的钢基体一侧沉淀,对钢基体起到一定的保护作用。

摘要： 微生物是自然界中广泛存在的生命体,它们通过呼吸代谢转化碳水化合物并产生能量的过程与电子转移密切相关,在元素的生物地球化学循环与物质能量转化过程中发挥着关键作用.因此,微生物电化学的原理及其应用近年来备受关注.电化学及其联用技术能够从电子转移层面揭示微生物/非生物界面物质和能量转化机制,是直接、有效的分析手段.其中,扫描电化学显微镜(Scanning electrochemical microscopy,SECM)是一种基于氧化还原反应的空间成像技术,可以原位监测微区环境中的电化学反应信号,具有灵敏高、空间分辨率高等优点.SECM在微观层面揭示微生物电子传递机制方面也发挥了重要作用,涵括了原位监测微生物呼吸活性、产电能力以及生物膜的微区环境(如pH、溶解氧、H2 O2浓度)等.本文基于SECM工作原理,详细阐述了其在微生物电子传递机制方面的研究进展,归纳总结了微生物电化学在微生物芯片、生物电化学系统、金属腐蚀等领域的应用潜力,并基于SECM的拓展技术,展望了微生物电化学的发展趋势以及所面临的机遇和挑战.

摘要： 研究病变细胞和组织的异常表现可为理解重大疾病发生发展的病理机理和新型药物筛选提供重要参考.扫描电化学显微镜(Scanning electrochemical microscopy,SECM)是一种基于电化学原理的扫描探针显微镜,通过记录探针在样品表面扫描时的电流或电位等信息,对活细胞的形态和多种化学信息进行原位、实时、精准表征.近10年来,SECM在重大疾病相关的细胞、细胞球和微组织层次的应用研究得到快速发展.本文从与疾病相关的SECM研究角度入手,分别从单细胞、细胞球和微组织层次小结SECM近10年来在生物医学领域的应用研究进展.首先介绍SECM的仪器组成、探针种类和工作模式,其次分别介绍SECM在神经细胞、心肌细胞和肿瘤细胞的应用进展,之后介绍SECM近期在细胞球和微组织的最新应用,最后提出并展望SECM技术在生物医学领域进一步应用所面临的挑战和发展方向.

摘要： 设计、构建了用于扫描电化学显微镜原位检测Li^+/Na^+电池及室温液态金属电池反应过程的电解池,成功用于电池正极界面反应动力学检测。测得氧化还原电介质二茂铁在LiFePO4、Li Co O2和Na3V2(PO4)3三种不同正极界面反应电子转移速率常数(kf)分别为1.06×10^-3cm/s、1.47×10^-3cm/s和9.09×10^-4cm/s。实时监测了三种不同碳含量Na3V2(PO4)3正极界面微区(80×80μm2)储钠活性位点分布,探索了室温Li||Ga电池液态金属正极界面锂化反应过程。表明基于扫描电化学显微镜技术的原位电池分析方法具有极高的分辨率和灵敏度,且对不同电池体系均可实现实时原位高分辨动力学检测。为研究Li^+/Na^+电池及液态金属电池等极具应用潜力的电化学储能技术提供了一种原位无损检测方法。

摘要： 生物电化学系统(BESs)的核心是生物膜在电极/溶液界面的电子传递反应,研究生物膜微区环境中的电子传递有助于阐明微生物的胞外电子传递(EET)机制,从而有针对性地提高BESs中的电子转移效率.微生物的EET机制包括直接电子传递和间接电子传递,由于生物膜组成复杂,含有多种分泌物、胞外聚合物等,常规电化学方法只能从生物膜宏观层面研究EET机制,无法有效区分这两种电子传递途径的贡献.本文采用电化学循环伏安方法研究了电子穿梭体二茂铁甲醇(FcMeOH)与希瓦氏菌(Shewanella)相互作用的界面过程;基于扫描电化学显微技术构建了穿透模式,通过微电极介导FcMeOH与Shewanella反应,收集仅来自间接电子传递途径产生的电流,同时测定了Shewanella在电极/溶液界面的氧化还原性质和空间分布.本论文将电化学扫描探针显微技术应用于EET的研究,从物理化学角度揭示微生物在代谢过程中与外界的电子传输机制.

摘要： 胞外电子传递(EET)是指氧化还原反应所产生的电子在微生物细胞内和细胞外的电子受体/电子供体之间互相转移的过程,这一过程伴随着能量和物质的转化.阐明EET机制是提高微生物能量和物质转化效率的基础,为元素的生物地球化学循环、金属防腐以及生物电化学系统的应用等提供理论支撑.电化学技术作为研究电极/溶液界面电子转移的简便、有效方法,在研究微生物的直接电子传递和间接电子传递机制中发挥了重要的作用,也促进了EET机制的研究从宏观层面到微观层面不断深入.本文综述了研究微生物EET机制所涉及的电化学联用技术(包括微电极、扫描电化学显微镜、电化学联用光学显微镜和光谱电化学等);详细介绍了这些电化学联用技术的功能和优势;重点阐述了这些电化学联用技术如何推动着EET机制的研究,从宏观的生物膜层面到微观的单个微生物细胞、蛋白和分子层面不断深入;展望了新的电化学联用技术在EET研究领域的应用前景.

摘要： 扫描电化学显微镜(SECM)使用超微电极作为探针,由于发生在探针电极上的氧化还原反应是一个扩散过程,探针电极在快速移动过程中会对扩散过程产生影响,导致SECM图像变得不清晰.本研究采用LoG算法与NEDI插值算法相结合的图像处理技术对获得的SECM图像进行处理,LoG算法可以提高SECM图像的清晰度,但会导致图像中部分边缘信息丢失,利用基于边缘导向插值的NEDI算法对后续图像进行处理,可以很好地解决这个问题.采用离子溅射方法制备了金叉指电极和金点阵电极两种基底,对金叉指电极基底、金点阵电极基底和印有指纹的ITO基底进行了SECM成像,通过对3种基底的SECM原始图像、LoG变换后的图像和NEDI插值后的图像进行比较分析,表明LoG算法与NEDI插值算法结合在一起的图像处理技术可以明显提高SECM图像的清晰度和分辨率.%Ultramicroelectrode was usually used in scanning electrochemical microscope(SECM) as a probe. The redox reaction on the probe is a diffusion process. But the fast moving of probe in SECM will affect the diffusion process, resulting in unclear obtained images. A new SECM image-processing technique was proposed in this paper involving combination of LoG algorithm and New edge-directed interpolation (NEDI) interpolation algorithm. LoG algorithm is helpful for the clarity of SECM images, but leading to some loss of edge information. Fortunately, NEDI algorithm based on edge directed interpolation can solve this problem well. Two substrates with gold interdigitated electrode and gold electrode array were prepared by ion sputtering method. The SECM images were obtained of the gold interdigitated electrode, gold electrode array and ITO substrate printed with fingerprints. The corresponding images treated by LoG filter and these for NEDI interpolation were compared and analyzed. The image-processing technique combining the LoG algorithm with the NEDI interpolation algorithm can significantly improve the clarity and resolution of SECM image.

摘要： 采用扫描电化学显微镜（SECM）中的极化曲线法和交流阻抗图谱法研究5083铝镁合金在不同pH NaCl溶液中的腐蚀行为，结果表明：在酸性体系(pH 3～7)，随着pH的增加，其腐蚀电位正移，点蚀电位相差不大，维钝电流密度减小，电化学阻抗谱中仅有1个容抗弧且呈现收缩趋势。同时，阻抗和相位角减小，电荷传递电阻升高，耐腐蚀性能增大。在碱性体系（pH 9～12），随着pH的增加，腐蚀电流密度增加，而腐蚀电位减小，腐蚀速度由0.0009mm/a增加到0.0256?mm/a。电化学阻抗谱中有2个容抗弧，在pH=12处出现感抗弧。同时，阻抗和相位角减小，金属化合物颗粒溶解过程加快，合金耐腐蚀性能降低。

摘要： 扫描电化学显微镜（Scanning Electrochemical Microscopy，SECM）是上世 纪80年代末由A.J.Bard 等研究小组提出并发展起来的以电化学原理为基础的一种扫描探针显微技术。近年来，SECM 越来越多地应用于生物体系的研究，如观 察细胞表面形貌，细胞的呼吸作用，ROS、RNS的释放等。

摘要： 生物代谢过程中，一些代谢过程通常由多种酶按一定序列参与的级联催化反 应完成。例如，氨基酸的合成过程。因此，研究多酶级联耦合反应过程[1-4]将有 助于揭示代谢过程机制。本研究选择乙酰胆碱酯酶（AchE）和胆碱氧化酶（ChO） 作为多酶耦合反应的研究模型，利用扫描电化学显微镜（SECM）对探针电极精 确定位的特征，将乙酰胆碱酯酶和胆碱氧化酶分别固定在金基底电极和探针电极 上，利用探针电极检测双酶耦合催化乙酰胆碱产生的H2O2。利用图1装置，系统 研究了溶液pH、探针电极检测电位、探针.基底距离对探针电极电流的影响。同 时，由于该反应是一个双酶级联耦合反应，试验中观察到的电流为总反应之和， 无法检测某一相关底物以及产物的变化。所以，在实验研究基础上，建立了描述 该双酶耦合反应的数学模型来探索级联耦合催化反应过程。实验结果与理论描述 相一致。

摘要： 自组装复合膜由于其制备相对容易,结构简单且容易控制等特点引起人们的关注。碳纳米管是一种具有优异导电性、吸附性、生物相容性等特性的纳米材料。通过自组装方式，在基底上构建碳纳米管复合膜，这在纳米电子器件，超强复合材料，分子器件，电化学检测，催化剂载体以及固定酶等方面有着重要应用。目前自组装膜的表征技术主要有:光谱分析，表面形貌结构分析，能谱分析，以及电化学分析。现有的传统电化学方法，都要求自组装膜构建在导体基底上，而对 于构建在绝缘基底上的自组装膜则不能进行有效研究。我们利用扫描电化学显微镜(SECM)这一扫描探针技术，对绝缘基底上的碳纳米管自组装复合膜进行研究。利用其反馈模式，能够探测绝缘基底上自组装膜的电化学活性。通过对实验结果进行分析，我们还能够准确得到这些自组装膜的电子转移速率常数，这对深入的研究自组装膜的机理极其应用有着重要意义。

摘要： 氢的电催化氧化作为氢氧燃料电池的阳极反应具有厂阔的应用前景。前人着重在酸性溶液中研究了该反应体系的动力学和反应机理。研究表明，Pt对氢的氧化反应具有良好的催化作用和催化选择性。然而，碱性溶液中Pt对氢的电催化氧化研究比较欠缺且不够深入，本文利用扫描电化学显微镜(SECM)的探头产生-基底收集模式，通过面扫描实验，研究电位及溶液中氢氧根离子对Pt基底电催化活性的影响、以确定碱性溶液中氢的电催化氧化反应的优化条件。

摘要： 扫描电化学显微镜(Scanning Electrochemical Microscopy,SECM)兼具的拓扑形貌以及电化学活性表征功能,使其在研究金属的点蚀萌生与生长机理方面,能够发挥传统电化学方法所不具备的优势,已被广泛地应用到金属腐蚀领域。Wipf利用SECM的微电极探头在30mM CClCOOH溶液中电化学极化产生Cl,并扩散到不锈钢基底上进而诱发点蚀。Burstein小组利用SECM检测不锈钢在0.1M HCl溶液中形成的亚稳态点蚀。点蚀产物可以为点蚀机理研究提供佐证,而SECM的基体产生-探头收集工作模式可以在点蚀产物检测及形貌特征方面发挥独特的作用.

摘要： 自上个世纪80年代Bard小组提出扫描电化学显微镜(scanning electrochemical microscopy,SECM)并对其理论研究不断完善以来.SECM越来越多地应用到生物领域.尤其是2000年以来,SECM较多地应用于单细胞成像和胞吐分泌检测.SECM-CFME应用于生物体系存在着特有的优势:(1)对细胞的形态及活性无影响,可以实现细胞活体测定;(2)伏安型探针只对电活性物质有响应,选择性好(3)空间分辨和检测灵敏度高;(4)多种工作模式可以实现不同目的研究.如研究细胞性质,一般采用收集模式,而研究细胞形貌一般采用反馈模式.大多数已报道的SECM细胞成像采用等高模式,因为等高模式所需的仪器设备相对简单;在商品化的CHI900 SECM上即可实现,无需其它辅助元件.定量分析具有坚实的理论依据.此模式的工作原理是探头在基底表面进行等高的x-y方向扫描,同时记录探头在不同位置的电流大小.探头电流的大小反应出基底在z方向的高低不等,从而可得到基底的三维图像.当探针尺寸、形状一定时,SECM图像的分辨率主要取决于探针材料、表面状态、电介质选择以及SECM的扫描参数的优化.本文研究扫描电化学显微镜监测单个细胞释放前后形貌。

摘要： 在阴极保护等过程中,氢容易进入金属内部促进金属阳极的腐蚀,其作用机理仍然需要进一步研究.本文研究了氢对X70碳钢在0.10 mol dm-3 NaCl溶液中点蚀过程的影响.

摘要： 本文利用SECM的反馈成像模式，选择了不同的电子介体，研究固定化凝血酶适配体与凝血酶的相互作用，建立SECM研究适体与凝血酶相互作用的新方法。巯基修饰的凝血酶适体自组装固定与基底电极表面，固定化的适体与凝血酶蛋白结合前后，根据结合前后导电性能的差异，研究凝血酶适体与蛋白的相互作用。

摘要： 利用激光拉制仪P-2000加工特有的组合玻璃管,制备纳米铂盘电极。组合玻璃管由穿有铂丝的石英管,套入硼硅管构成。对拉制参数进行优化,可将组合玻璃管加热熔合成复合整体,进而制成纳米电极。循环伏安法表征显示制备电极的过程有较好的可重复性,且最小的电极直径达到5nm，该法制得的电极可作为电化学传感器应用于扫描电化学显微镜等诸多领域。

摘要： 本文提出了将双石英晶体阻抗分析与扫描电化学显微镜(SECM)有机结合的一种新方法,考察了晶体移动时单/双晶体的纵波效应,结合SECM产生/收集模式研究了邻苯二胺和吩嗪氧化还原过程中电荷转移配合物的生成.

摘要： 本发明公开一种瞬态光电化学显微镜，属于电化学的显微成像系统技术领域，包括数字工作站系统、电化学检测系统、暗场显微镜系统、成像系统和延迟发生器系统，数字工作站系统与电化学检测系统相连，延迟发生器系统与成像系统、暗场显微系统和数字工作站系统分别相连。本发明还公开了瞬态电化学过程测量方法。本发明使用双通道数字发生器控制的电化学工作站对Au纳米电极施加脉冲电压，然后利用电化学检测系统采集Au纳米电极的电流信号，通过延迟发生器系统产生的延迟触发信号来控制暗场显微系统、成像系统采集Au纳米电极在双电层形成过程中不同时刻的散射图像，最终利用电学和光学两种检测技术获得Au纳米电极上如双电层形成的瞬态电化学过程。

摘要： 一种适用于扫描探针显微镜的电化学反应池装置，由反应池主体、密封圈、反应池盖、定位铁块、紫铜电极、金属卡环组成。反应池主体正面设有反应池盖插入槽、样品槽、参比电极槽以及对电极槽，密封圈在防止液体外渗的同时参与参比电极及对电极丝的引导及固定。块体样品嵌入反应池主体底部样品槽，样品槽底部有电极连接孔通过插入紫铜电极导通第二工作电极电路及帮助取出样品，池体底部嵌入磁吸固定位铁块帮助固定反应池，反应池主体下方环形槽内插入防止反应池变形的金属卡环。本发明体积小巧，结构简单，可靠度高，可以与扫描探针显微镜的电化学模块完美适配，从而解决块状样品在SECM‑AFM模式下扫描的适配问题。

摘要： 本发明公开一种瞬态光电化学显微镜，属于电化学的显微成像系统技术领域，包括数字工作站系统、电化学检测系统、暗场显微镜系统、成像系统和延迟发生器系统，数字工作站系统与电化学检测系统相连，延迟发生器系统与成像系统、暗场显微系统和数字工作站系统分别相连。本发明还公开了瞬态电化学过程测量方法。本发明使用双通道数字发生器控制的电化学工作站对Au纳米电极施加脉冲电压，然后利用电化学检测系统采集Au纳米电极的电流信号，通过延迟发生器系统产生的延迟触发信号来控制暗场显微系统、成像系统采集Au纳米电极在双电层形成过程中不同时刻的散射图像，最终利用电学和光学两种检测技术获得Au纳米电极上如双电层形成的瞬态电化学过程。

摘要： 本发明公开了一种基于原子力显微镜和扫描电化学显微镜的原位光电化学池。该原位池的主体为一体化石英化学池，O圈，盖片，三者由下往上堆叠并密封，以防止漏液。整体化的石英化学池包含了能够稳定整个体系的磁体凹槽支撑待测样品。盖面边缘设有弧形开口，光纤探头耦合到弧形开口处，入射光可以聚集到探针下面的样品处，侧面光照也消除了探针阴影的影响，满足了原位光电化学测试要求。本发明优点在于突破了商用电化学池仅能使用少数较薄样品且无法外加光源的局限，通过原位池一体化的调整以及耦合光纤通道，使得可以对光电材料表面进行原位光电化学成像表征。另外本发明具有使用操作简单，使用表征材料范围广，稳定性好的优点。

摘要： 本发明公开了一种基于扫描电化学显微镜的光电化学动力学测试系统及方法，系统包括扫描电化学显微镜装置、Pt超微电极、样品固定装置、光源装置和转台控制装置，扫描电化学显微镜装置包括三维控制仪和电化学工作站；样品固定装置包括聚四氟化学池和固定件；光源装置包括散热器、直流电源以及依次排列在散热器圆盘边沿上的红、黄、蓝、白LED光源；转台控制装置包括中央处理器、带有通光孔的圆盘、驱动器、控制器和步进电机。实施本发明可克服目前太阳能电池和光电催化界面化学反应动力学信息获取不足的缺陷，快速得到精确的界面反应动力学信息，为研究太阳能电池或光电催化分解水器件提供有力的实验参数。

摘要： 本发明公开了一种扫描电化学显微镜，包括：三维滚珠丝杠扫描器、三维压电扫描器、导电探针、导电基底、工作平台和微控单元，所述三维滚珠丝杠扫描器包括X调节轴、Y调节轴和Z调节轴；X调节轴、Y调节轴和Z调节轴两两相互垂直设置，所述X调节轴设置在工作平台上，所述三维压电扫描器设置在Z调节轴的上，本方案的扫描电化学显微镜内部集成稳定性较高的滚珠丝杠扫描器、压电扫描器、导电探针、导电基底和微控单元，通过滚珠丝杠扫描器对压电扫描器的扫描范围和线性度进行校正，避免了使用精密距离测试仪器或标准样品，具有操作简便和成本较低的优势。

摘要： 本发明公开了一种基于原子力显微镜和扫描电化学显微镜的原位光电化学池。该原位池的主体为一体化石英化学池，O圈，盖片，三者由下往上堆叠并密封，以防止漏液。整体化的石英化学池包含了能够稳定整个体系的磁体凹槽支撑待测样品。盖面边缘设有弧形开口，光纤探头耦合到弧形开口处，入射光可以聚集到探针下面的样品处，侧面光照也消除了探针阴影的影响，满足了原位光电化学测试要求。本发明优点在于突破了商用电化学池仅能使用少数较薄样品且无法外加光源的局限，通过原位池一体化的调整以及耦合光纤通道，使得可以对光电材料表面进行原位光电化学成像表征。另外本发明具有使用操作简单，使用表征材料范围广，稳定性好的优点。

摘要： 本发明公开了一种基于扫描电化学显微镜的光电化学动力学测试系统及方法，系统包括扫描电化学显微镜装置、Pt超微电极、样品固定装置、光源装置和转台控制装置，扫描电化学显微镜装置包括三维控制仪和电化学工作站；样品固定装置包括聚四氟化学池和固定件；光源装置包括散热器、直流电源以及依次排列在散热器圆盘边沿上的红、黄、蓝、白LED光源；转台控制装置包括中央处理器、带有通光孔的圆盘、驱动器、控制器和步进电机。实施本发明可克服目前太阳能电池和光电催化界面化学反应动力学信息获取不足的缺陷，快速得到精确的界面反应动力学信息，为研究太阳能电池或光电催化分解水器件提供有力的实验参数。

摘要： 本发明属于电化学技术领域，具体为一种扫描电化学显微镜探针及其制备方法。本发明制备方法包括：以纳米薄膜的形式制备探针的牺牲层；以纳米薄膜的形式在牺牲层上制备探针的绝缘层，绝缘层厚度控制在5‑50 nm；以纳米薄膜的形式在绝缘层上制备金属电极层，金属电极层的厚度控制在5‑50 nm；利用有机溶剂去除牺牲层释放绝缘层和金属层双层薄膜；双层薄膜的内应变梯度促使绝缘层和金属电极层卷曲，形成由绝缘层包裹金属电极层的微管结构。该结构可用作扫描电化学显微镜探针；通过材料和结构调节，实现更高的探测性能和显微成像分辨率。

摘要： 本发明涉及一种利用扫描电化学显微镜(SECM)检测不可逆电穿孔程度的方法，其通过对脉冲电场刺激后的细胞的膜通透性(Pm)进行测定，实现细胞电穿孔程度的快速高效检测。该方法先测定出SECM探针对细胞的逼近曲线，再将逼近曲线换算成细胞膜通透性来完成对电穿孔程度的测定，并通过已有的检测方法测定细胞的存活率曲线，将Pm值与细胞存活率建立关系，来验证细胞膜通透性能完成不可逆电穿孔的检测，发现细胞膜通透性随脉冲电压变化的规律与细胞存活率在脉冲电压变化时的规律几乎一致，因此利用SECM测定细胞的电穿孔程度的方法是有效可靠的。